线粒体与氧化磷酸化.ppt

第十章第十章 线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化  第一节第一节 线粒体的形态、大小和分布线粒体的形态、大小和分布n光光镜镜下下为为线线状状或或粒粒状状，，电电镜镜下下为为“香香肠肠”状状，，形形态和大小可变态和大小可变n数数量量和和分分布布：：动动物物细细胞胞比比植植物物细细胞胞多多，，代代谢谢旺旺盛盛的的细细胞胞多多；；一一般般随随机机分分布布，，可可自自由由移移动动，，需需能能部部位比较集中位比较集中精子尾巴精子尾巴横纹肌横纹肌线粒体线粒体       脯乳类培养细胞的线粒体脯乳类培养细胞的线粒体光镜光镜照片照片用活性荧光染料用活性荧光染料rhodamine 123染色，示线粒体长棒状染色，示线粒体长棒状上一细胞用荧光素标记的上一细胞用荧光素标记的微管结合抗体微管结合抗体染色的染色的免疫荧光照片免疫荧光照片与上一照片相比，可知线粒体倾向于沿着微管排列与上一照片相比，可知线粒体倾向于沿着微管排列线粒体的线粒体的超微结构超微结构 第二节第二节 线粒体的超微结构线粒体的超微结构n电镜下由双层膜围成的一个封闭的长囊式结构电镜下由双层膜围成的一个封闭的长囊式结构。

n由四大部分组成：由四大部分组成：1、、线线粒粒体体外外膜膜：一一层层单单位位膜膜，，其其上上的的孔孔可可让让10KD以下的分子通过以下的分子通过2、线粒体内膜、线粒体内膜：n对对物物质质透透性性低低，，通通过过专专一一性性运运载载系系统统进进行行物物质质运运输输内内膜膜向向内内室室的的伸伸出出部部分分称称为为嵴嵴，，其其形形状状和和数数量量可可变变，，其作用是增大内膜的表面积和内膜的代谢率其作用是增大内膜的表面积和内膜的代谢率n嵴嵴上上的的圆圆球球状状颗颗粒粒称称为为基基本本颗颗粒粒或或F1颗颗粒粒或或F1因因子子，，也也称称F1-ATP酶酶，，内内膜膜中中与与F1因因子子结结合合的的蛋蛋白白称称为为F0因因子子，，其其复复合合体体称称为为F0F1-ATP酶酶或或ATP合合成成酶酶其其作作用用：：在在氧氧化化磷磷酸酸化化中中起起偶偶联联作作用用，，将将H+梯梯度度势势能转化为能转化为ATP内膜内膜头部头部3、膜间隙：、膜间隙：n内内外外膜膜间间的的空空隙隙嵴嵴内内的的空空间间称称为为嵴嵴内内间间隙隙，，两两者者相相通通，，充充满满液液体体，，并并含含有有可可溶溶性性酶、底物和辅助因子。

酶、底物和辅助因子4、、 线粒体基质：线粒体基质：n内膜包围的空间，充满胶状物质主要成内膜包围的空间，充满胶状物质主要成分：酶、核糖体、环状分：酶、核糖体、环状DNADNA、、RNARNA、、离子，离子，线粒体也为钙离子储存器，具有控制细胞线粒体也为钙离子储存器，具有控制细胞质中钙离子浓度的作用质中钙离子浓度的作用  第三节第三节 线粒体化学组成线粒体化学组成n外膜，蛋白：脂类外膜，蛋白：脂类=1：：1；；n内膜，蛋白：脂类内膜，蛋白：脂类=4：：1n线线粒粒体体中中约约含含120多多种种酶酶主主要要为为氧氧化化还还原原酶酶、、合成酶、水解酶各大组成部分有标志酶合成酶、水解酶各大组成部分有标志酶 外膜外膜 膜间隙膜间隙 内膜内膜 基质基质 单胺氧化酶单胺氧化酶，，腺苷酸激酶腺苷酸激酶，，细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶，，苹果酸还原酶苹果酸还原酶 第四节第四节 线粒体的功能线粒体的功能n功能：氧化磷酸化，产生功能：氧化磷酸化，产生ATP，，储积钙离子储积钙离子。

（（一一））氧氧化化磷磷酸酸化化的的过过程程（（或或分分区区））（（图图10-10）），，三大阶段：三大阶段：蛋白、糖、脂蛋白、糖、脂 丙酮酸丙酮酸 三羧酸循环三羧酸循环 NADH 呼吸链呼吸链第第一一阶阶段段(细细胞胞质质中中) 第第二二阶阶段段(mit基基质质中中) 第第三三阶阶段段(内内膜膜) 提供一对电子和一个提供一对电子和一个H+（二）电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础（二）电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础n研究工具研究工具——亚线粒体小泡亚线粒体小泡           超声波超声波段                  内外膜均破内外膜均破 内膜自然形成内翻外小泡内膜自然形成内翻外小泡  亚线粒体小泡亚线粒体小泡                                      蛋白酶处理蛋白酶处理   亚线粒体小泡亚线粒体小泡调节条件调节条件基本颗粒基本颗粒(耦耦联因子联因子F））Mt电子传递电子传递+氧化氧化磷酸化磷酸化电子传递电子传递电子传递电子传递+氧化氧化磷酸化磷酸化n实验结论：由实验结论：由NADH脱氢酶至细胞色素氧化脱氢酶至细胞色素氧化酶的整个电子传递链存在于膜本身，而氧化酶的整个电子传递链存在于膜本身，而氧化磷酸化作用却由基本颗粒（磷酸化作用却由基本颗粒（ATP酶复合物）酶复合物）来承担。

来承担1、电子传递链（呼吸链）、电子传递链（呼吸链）n电子传递链由结合在内膜上的许多酶和其他分子所电子传递链由结合在内膜上的许多酶和其他分子所组成，承担着电子传递的作用组成该链的分子可组成，承担着电子传递的作用组成该链的分子可分成分成4大类大类：：黄素蛋白、铁硫蛋白、辅酶黄素蛋白、铁硫蛋白、辅酶Q和细胞色和细胞色素素n这些呼吸链的主要成分以复合物的形式包埋在内膜这些呼吸链的主要成分以复合物的形式包埋在内膜中，中，4种复合物种复合物ⅠⅠ、、ⅡⅡ、、ⅢⅢ、、ⅣⅣ 复合物ⅠⅠ、、ⅢⅢ、、ⅣⅣ 组成一条主呼吸链，催化组成一条主呼吸链，催化NADH的氧化；复合物的氧化；复合物ⅡⅡ、、ⅢⅢ、、ⅣⅣ 组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的氧化组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的氧化两条主要的呼吸链（引自两条主要的呼吸链（引自Lodish等等1999）） 2、、ATP合成酶合成酶n在氧化磷酸化过程中起耦联作用的结构是内在氧化磷酸化过程中起耦联作用的结构是内膜上的膜上的ATP合成酶或合成酶或ATP酶复合物，即酶复合物，即F0-F1耦联因子耦联因子n由由16条肽链组成，分子量条肽链组成，分子量500 kD结构上分结构上分为为头部（头部（F1 ATP酶）酶）和和膜部（膜部（F0因子）因子）。

n（（1））头头部部：：即即F1因因子子，，10条条多多肽肽构构成成，，分分离离下下来后，可以水解来后，可以水解ATPn（（2））柄柄部部：：连连接接F1和和F0的的脂脂蛋蛋白白（（柄柄部部也也可可能能是是F0因因子子的的伸伸出出部部分分）），，为为寡寡霉霉素素敏敏感感性性传传受受蛋蛋白白，，若若去去掉掉柄柄部部，，寡寡霉霉素素就就不不能能抑抑制制F1因因子子的活性n（（3））膜膜部部：： F0因因子子，，多多条条多多肽肽链链F0因因子子的的功功能能和和传传递递质质子子有有关关，，是是质质子子载载体体，，可可专专一一性性地传递质子地传递质子3、氧化磷酸化的耦联机制、氧化磷酸化的耦联机制葡萄糖葡萄糖丙酮酸、丙酮酸、NADH、、H＋＋ 电子传递链（传给电子传递链（传给O2）） ATP电子传递与氧化磷酸化相偶联电子传递与氧化磷酸化相偶联n电电子子传传递递链链（（呼呼吸吸链链））：：一一对对电电子子3次次跨跨膜膜，，向向外室排放外室排放3对对H+，，结果合成了结果合成了3个个ATP分子n偶联假说：电子传递与偶联假说：电子传递与ATPATP合成的偶联机制目前合成的偶联机制目前仍不清楚。

三个相关假说：仍不清楚三个相关假说：化学偶联假说化学偶联假说；构；构象偶联假说；化学渗透假说证据较多的是化象偶联假说；化学渗透假说证据较多的是化学渗透假说学渗透假说 nMitchell P.1961提提 出出 “化化 学学 渗渗 透透 假假 说说(Chemiosmotic Hypothesis)”，，70年年代代关关于于化化学学渗渗透透假假说说取取得得大大量量实实验验结结果果的的支支持持，，成成为为一一种种较较为为流流行行的的假假说说，，Mitchell本本人人也也因此获得因此获得1978年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖化学渗透学说化学渗透学说 胞质胞质外膜外膜基质基质膜间隙膜间隙内膜内膜n化学渗透假说的要点：化学渗透假说的要点：5个要点个要点（（P304-305））①①NADH提供一对电子，经电子传递链，最后为提供一对电子，经电子传递链，最后为O2所接所接受②②电子传递链中载氢体和电子传递体相间排列每当电子传递链中载氢体和电子传递体相间排列每当电子由载氢体传向电子传递体时，载氢体的氢即以电子由载氢体传向电子传递体时，载氢体的氢即以H+的形式释放到内膜外，的形式释放到内膜外，1对电子在呼吸链中对电子在呼吸链中3次穿次穿膜运动，向外室排放了膜运动，向外室排放了3对质子。

对质子③③内膜对内膜对H+和和OH-具有不可透性，所以随着电子传具有不可透性，所以随着电子传递过程的进行，递过程的进行，H+在外室中积累，造成了膜两在外室中积累，造成了膜两侧的质子浓度差，从而保持了一定的势能差侧的质子浓度差，从而保持了一定的势能差④④外室中的质子有顺浓度差返回基质的倾向，当外室中的质子有顺浓度差返回基质的倾向，当H+通过通过F1-F0复合物进入基质时，复合物进入基质时，ATP酶利用这种酶利用这种势能合成了势能合成了ATP⑤⑤ F1-F0复合物需要复合物需要2个质子合成一个个质子合成一个ATP分子外室外室基质基质内膜内膜在高能电子穿过呼吸链过程中，在高能电子穿过呼吸链过程中，3 3个呼吸酶复合物利用电子势能个呼吸酶复合物利用电子势能将质子从基质抽提到外室中将质子从基质抽提到外室中质子的电化学梯度驱动质子的电化学梯度驱动H H+ +经经ATPATP合成酶返回基质，合成酶返回基质，ATPATP合成酶则利合成酶则利用用H H+ +流的能量催化基质中的流的能量催化基质中的ADPADP和和PiPi合成合成ATPATPn化学渗透假说的证据：化学渗透假说的证据：A：：随电子传递进行，外室酸性增加。

随电子传递进行，外室酸性增加H+)B：：消除消除[H+]差后，不能合成差后，不能合成ATP如何消除如何消除[H+]差？使差？使用用K+离子载体（缬氨霉素）离子载体（缬氨霉素）K+离子通过缬氨霉素到基质离子通过缬氨霉素到基质中，使基质中的中，使基质中的[K+]升高，消除了内膜两边的电荷差，结果升高，消除了内膜两边的电荷差，结果不能合成不能合成ATPC：：盐细菌的视紫质（盐细菌的视紫质（H+泵）和泵）和F1-F0因子同时组装到因子同时组装到脂质体中，能合成脂质体中，能合成ATP 第五节第五节 线粒体的半自主性线粒体的半自主性n线线粒粒体体是是一一种种半半自自主主性性细细胞胞器器，，在在其其基基质质中中含含有有环环状状DNA分分子子和和蛋蛋白白质质的的合合成成机机构构其其DNA有有为为多多种种多多肽肽以以及及所所需需rRNA、、tRNA编编码码的的基基因因线线粒粒体体在在核核DNA和和线线粒粒体体DNA的的双重控制下活动双重控制下活动 n线线粒粒体体的的生生长长与与增增殖殖所所需需要要的的大大部部分分蛋蛋白白质质是是由由核核基基因因编编码码、、在在细细胞胞质质中中合合成成的的，，仅仅有有少少部部分分蛋蛋白白质质是是由由其其自自身身基基因因编编码码、、粒体内合成粒体内合成的。

的 第六节第六节 线粒体的来源线粒体的来源n 线粒体由线粒体分裂而来，与细胞分线粒体由线粒体分裂而来，与细胞分裂不同步，在细胞间期分裂裂不同步，在细胞间期分裂 1、、间间壁壁分分离离，，分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两个，常见于鼠肝和植物产生组织中2、收缩后分离收缩后分离，分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中 3、出芽出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。